Medida de Potencia en CA

UTN- FRM
Medidas Electrónicas I
Página 1 de 6
Trabajo Practico Nº 8
MEDIDA DE POTENCIA EN CA
Objeto:
Medir potencia activa, reactiva y otros parámetros en CA.
Tener en cuenta los efectos de los elementos alinéales (generación de armónicos, transitorios )
en el funcionamiento, mediciones, etc. de los sistemas de potencia.
Conceptos previos:
Secuencia: sucesión en el tiempo de los máximos de parámetros eléctricos tales como
tensión, intensidad, en las tres fases del sistema. A ella corresponde el sentido de rotación del
diagrama vectorial. También es el orden de rotación de los vectores.
Sistema:
El sistema puede ser:
• Simétrico, las tensiones (modulo) de las fases son iguales. El sistema es por
naturaleza simétrico.
• Asimétrico, las fases son distintas entre si.
• Equilibrado, las cargas y por lo tanto las intensidades son iguales por lo que la
corriente resultante por el neutro, si existe, es nula.
• Desequilibrado, las cargas y por lo tanto, las intensidades son distintas, por lo que la
corriente de neutro es distinta de cero.
Factor de potencia: (cos ϕ), relación entre la potencia activa y reactiva. Da idea de la energía
almacenada como campo eléctrico o magnético
Carga: Impedancia de Carga esta puede ser de acuerdo a los elementos que la componen:
resistiva, inductiva o capasitiva pura, o una combinación de ellas.
Puede estar conectada en triangulo o en estrella
Instrumentos
Los instrumentos de medida los podemos clasificar de distinta forma:
• Analógicos (en su forma de medir y presentar la información )
• Analógicos con presentación digital
• Digitales
De sus posibilidades de conexión en monofásicos o multifásicos
También en función de las variables que mide en:
• vatímetros, mide potencia activa
• varímetros mede potencia reactiva
UTN- FRM
•
Medidas Electrónicas I
Página 2 de 6
Multímetros miden potencia activa y reactiva y otras funciones como ángulo de fase,
factor de potencia, etc..
Instrumentos tipo Multímetro
En este caso se desarrolla un diagrama tipo de un multímetro digital, también existen los
totalmente analógicos.
ET
EI
Div.
Ten
E. sep.
Con.
A/D
Proceso
Pres
shunt
El diagrama en bloque desarrollado es valido para un instrumento mono o trifásico. Se
da un ejemplo de lo que puede contener cada bloque.
La entrada de tensión puede ser una punta voltimétrica. La entrada de corriente puede ser una
pinza amperometrica.
Se considera un divisor de tensión a fin de llevar la tensión a valores adecuados para excitar
los circuitos digitales, idéntica función cumple el shunt (resistencia en paralelo) para la
entrada de corriente.
La etapa separadora “separa” la parte de alta tensión o corriente de la parte baja tens ión o
corriente de los circuitos integrados, puede estar constituida por transformadores de medida,
amplificadores de instrumentación, ect. La función de esta etapa es proteger a los circuitos de
baja de un pico de tensión o corriente que los puede destruir o dañar.
En el caso de ser trifásico estas etapas serían por tres.
Luego se convierte las señales a través de un conversor analógico digital y se produce el
proceso de cálculo y presentación de la información (variable ) a medir. Puede ser a través de
un PIC, de un microprocesador ect.
Introducción al Análisis de Armónicos
Los armónicos son distorsiones de las ondas senoidales de tensión y/o corriente de los
sistemas eléctricos, debido al uso de:
• cargas con impedancia no lineal
• materiales ferromagnéticos
• y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operación
normal.
Matemáticamente las representamos por serie de Fourier. En nuestro caso aparecen armónicos
impares (3º, 5º ect.)
1 π
f (x )dx
2π ∫−π
1 π
bn = ∫ f ( x )sen(nx )dx
π −π
para n = 1,3,5.....
a0 =
UTN- FRM
Medidas Electrónicas I
Página 3 de 6
Con la primera expresión se calcula la fundamental y con la segunda se calculan los
armónicos. La sumatoria da la señal completa.
La aparición de corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico crea problemas tales
como, el aumento de pérdidas de potencia activa, sobre tensiones en los condensadores,
errores de medición, mal funcionamiento de protecciones, daño en los aislamientos, deterioro
de dieléctricos, disminución de la vida útil de los equipos, entre otros.
Las soluciones a dicho problema se realizan en forma escalonada; primero en forma
particular, resolviendo el problema de inyección de armónicos por parte del usuario al sistema
(diseñando y ubicando filtros en el lado de baja tensión, usando el transformador como
barrera); segundo, resolviendo el problema en forma global, buscando reducir las pérdidas y
mantener los niveles armónicos por debajo de los límites permitidos, en este caso, se trata de
un problema de optimización donde se determina la ubicación de los compensadores
(condensadores, filtros pasivos, filtros activos).
Independientemente del tipo de compensador utilizado para reducir los niveles de armónicos
en el sistema o en el usuario, se debe analizar la forma en que el compensador afecta a la
impedancia al variar la frecuencia, esto con el fin de determinar resonancias serie (baja
impedancia al paso de corriente) y paralelo (baja admitancia a la tensión de alimentación).
La presencia de armónicos se determina, entre otras formas, usando un instrumento llamado
analizador de red, que responde al esquema del multimetro digital presentado y que en su
proceso hace el desarrollo en serie de Fourier y presenta los armónicos existentes.
Métodos de medida:
En función de los instrumentos disponibles, el tipo de carga o sistema, es el método a
emplear.
Potencia en CA Monofásica:
La potencia depende en CA de la tensión, intensidad y su desfasaje a través del factor de
potencia (cos ϕ) , por lo que hay 2 métodos de para medir dicha potencia:
El método indirecto basado en la definición de potencia en CA
PCA = U I cos ϕ
Este método hace uso de un amperímetro, un voltímetro y un cosfímetro. Fig 1.
Medición directa mediante un vatímetro, que también admite 2 formas de conexión de
acuerdo como se conecte su rama voltímetrica. Recordar la conexión volt- amperométrica en
función del valor de la carga. Fig. 2.
A
A
Cos.
V
Z
Fig. 1
Fig. 2
La potencia reactiva en el primer caso se calcula, en el segundo se mide usando un varímetro.
UTN- FRM
Medidas Electrónicas I
Página 4 de 6
Potencia en CA Trifásica:
Si disponemos instrumentos monofásicos, o que traban como tales, podemos aplicar el
método de los tres vatímetros o el método de Aron.
Si tenemos instrumentos tipo multímetros hay que seguir la forma de conexión que da el
fabricante del instrumento de acuerdo a la variable a medir y el tipo de carga o sistema que
estemos midiendo.
Método de los tres vatímetros:
Este es el método mas general que existe para medir potencia ya sea activa o reactiva porque
lo que hacemos es medir por fase y la potencia trifásica es la suma de las tres monofásicas.
Sirve para sistemas tri o tetrafilares.
PT = PW 1 + PW 2 + PW 3
W1
R
V
Z
W2
S
T
A T
W3
Como vemos se forma un “neutro artificial” donde se unen los puntos comunes de los tres
vatímetros, que en el caso de tener neutro accesible estos coinciden.
Esta conexión sirve para medir potencia activa cuando usamos vatímetros y potencia
reactiva cuando usamos varímetros.
Como medida de protección podemos conectar un voltímetro entre dos de las fases y un
amperímetro para medir la tensión y corriente respectivamente y de esta manera proteger a los
instrumentos en caso de que las mismas superen los valores de trabajo de los instrumentos.
Método de Aron:
Este método es una simplificación del anterior para el caso de medir potencia activa y que el
sistema sea simétrico
La potencia trifásica es la suma algebraica de las indicaciones de los 2 vatímetros.
UTN- FRM
Medidas Electrónicas I
Página 5 de 6
W1
V
Z
W2
A
PT = PW 1 + PW 2
Es de hacer notar que el voltímetro y amperímetro cumplen las mismas funciones de
protección que en el caso anterior.
Analizando de la relación de potencias se ve que están en relación del ángulo ϕ:
ϕ
0º
30º
Tipo
Carga
resist
Inductiva
PW1
PW2
PW1 /PW2
1
3
3
UC I
UC I
2
2
1/2UCI UCI
0,5
60º Inductiva
0
90º Inductiva
-1/2UCI
0
3
UC I
2
1/2UCI -1
30º Capasitiva UCI
1/2UCI
60º Capasitiva 3
0
UC I
2
90º capasitiva 1/2UCI -1/2UCI
2
∞
-1
UTN- FRM
Medidas Electrónicas I
Página 6 de 6
Desarrollo
De acuerdo a las normas para la presentación de trabajos prácticos:
Ensayar circuitos con cargas: resistivas, capasitivas, e inductivas y combinaciones de ellas
aplicando los métodos de: los 3 vatímetros, el método de Aron, analizador de red.
Midiendo y calculando según corresponda: potencia activa, reactiva y aparente; ángulo de
fase, factor de potencia, intensidad, tensión.
Expresar las medidas y los resultados en las siguientes tablas:
Tabla para tres Vatímetros y multímetros
Valores Medidos
UR
V
US UT IR IS IT IN PR PS PT
V V A A A A W W W
Valores
Calculados
PTRI Cos ϕ
W
ϕ
Tabla para método de Aron
Valores Medidos
UR
V
Valore s Calculados
US UT IR IS IT PW 1 PW 2 PTRI
V V A A A W W W
Cos ϕ ϕ
Adaptar las tablas para el caso de potencia reactiva, aparente u otra variable, indicar la unidad
que se usa.